超稠油油藏溶剂辅助重力泄油机理物理模拟实验

吴永彬，刘雪琦，杜宣，周晓义，王丽，李骏，李雁鸿，李秀峦，李阳

（1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083；2.新疆油田公司风城油田作业区，新疆克拉玛依 834000；3.中国石油大学（北京）石油天然气工程学院，北京 102249；4.山东科瑞集团研究院，山东东营 257000；5.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083）

0 引言

蒸汽辅助重力泄油（SAGD）是超稠油和油砂高效开发的主体技术，截至2018年底，中国新疆FC油区已部署实施了171个双水平井SAGD井组，年贡献产量达到100×104t以上。SAGD产油主要依靠重力驱动，高温下原油动力黏度对蒸汽腔扩展速度和油井产量影响很大[1-6]，新疆FC油区200 ℃条件下原油黏度20～40 mPa·s，远高于加拿大高温油砂原油黏度（10～20 mPa·s），相同温度下，加拿大油砂原油SAGD的泄油速度约为中国稠油的2倍。溶剂辅助SAGD（ES-SAGD）是利用溶剂对原油的降黏作用，在蒸汽高温降黏的基础上，进一步降低原油黏度，提高原油的泄油能力。该技术应用于加拿大油砂SAGD项目取得了显著的增产效果[7-11]。

溶剂类型对ES-SAGD的生产效果有很大影响，国外对此开展过大量的室内研究，证实不同油品、不同温压条件对应的最佳溶剂体系不同，需要针对具体的油藏条件，筛选合适的溶剂体系[12]。通过文献调研发现，目前尚未建立ES-SAGD泄油理论模型，有必要引入辅助溶剂溶油降黏的特征参数，对常规SAGD泄油理论进行修正，分析预测ES-SAGD的泄油动态。对具体的稠油油藏而言，不同溶剂体系对ES-SAGD生产规律的影响需要开展大型物模实验获取数据，并在此基础上系统研究蒸汽中添加溶剂后蒸汽腔的发育规律、生产动态、采收率与油汽比等的改善情况，探讨ES-SAGD在国内超稠油油藏中的应用潜力[13]。

本文针对上述问题，主要开展辅助溶剂降黏实验，分析溶剂降黏规律，优选最佳溶剂体系，在此基础上对SAGD泄油理论模型进行修正，建立ES-SAGD理论模型。以ES-SAGD理论为指导，开展大型ES-SAGD二维比例物模实验，探索ES-SAGD的泄油机理。

1 SAGD泄油理论模型修正

开展不同溶剂对稠油的降黏特征实验，拟合溶剂对原油的降黏特征关系式，代入Butler经典SAGD泄油理论模型中，可准确表征溶剂对稠油的降黏特征及辅助溶剂对SAGD生产动态的影响。

1.1 辅助溶剂降黏实验

为避免轻烃溶剂的高挥发性给实验结果带来误差，实验采用带密闭测试系统的HAAKE MARS III流变仪进行测试，测试步骤依据行业准标（SY/T 7549—2000原油黏温曲线的确定 旋转黏度计法）进行设计。具体步骤为：在原油中添加一定体积比例的不同类型轻烃溶剂快速混合均匀；倒入流变仪密闭测试转筒中，密封端盖；采用磁力搅拌转子测量不同温度下混合油的密闭黏度（测量条件：温度从20 ℃上升到90 ℃，实验压力为常压，剪切速率从3 s-1提高到20 s-1）。

实验分别测试了标准原油、95%原油+5%正己烷、95%原油+5%二甲苯、95%原油+5%正戊烷、95%原油+5%柴油、95%原油+5%石脑油、95%原油+5%正庚烷的黏度-温度关系（见图1），可以看到，溶剂对原油的降黏率按由大到小依次排序为：正己烷、正庚烷、石脑油、二甲苯、柴油、正戊烷。原油中添加5%正己烷后，50 ℃条件下原油黏度从89 066 mPa·s下降到3 148 mPa·s，降黏率达到96.5%，具有最佳的降黏效果，可优选为溶剂体系的主剂。

图1 不同类型溶剂对原油的降黏特征曲线

在主剂优选的基础上，进一步开展不同比例正己烷对原油的降黏特征实验（见图2），同样可见，正己烷溶剂体系可呈指数降低原油黏度，原油中添加5%～10%正己烷溶剂，原油黏度降低90%～98%。尽管进一步增加溶剂比例会进一步降低原油黏度，但考虑轻烃溶剂的高额成本和实际储集层条件下的回采率，在矿场实施过程中注入过高比例的溶剂将大幅增加经济风险，因此在综合考虑技术经济界限的基础上，将二维物理模拟实验的溶剂浓度控制在10%。

图2 不同含量正己烷对原油的降黏特征拟合曲线

由原油降黏特征拟合曲线可知，轻烃溶剂降黏实验结果与Arrhenius黏度模型计算结果[14-18]具有很高的拟合率。因此，溶剂与原油混合后黏度可采用指数函数表示：

溶剂与原油混合流体的密度采用体积加权，根据（1）式并通过单位换算，可得到单/多组分溶剂与原油混合流体运动黏度表达式：

1.2 理论模型修正

将（2）式代入纯蒸汽SAGD不同阶段的泄油理论模型[19-20]中，可修正得到ES-SAGD不同泄油阶段的动态预测公式。

蒸汽腔上升阶段原油产量为：

理想情况下，蒸汽腔上升至油层顶部后达到高峰稳定产量所需的时间为：

理想情况下，蒸汽腔达到顶部以后横向扩展时，原油峰值产量为：

当蒸汽腔到达井组边界或者油藏边界后，进入蒸汽腔下降阶段的原油产量为：

鉴于油藏（物理模型）内温度、压力、注入溶剂类型与蒸汽比例等对原油运动黏度、可动油饱和度均有较大影响，因此在应用上述公式时，需要根据不同开发阶段油藏（物理模型）的温度、压力、注入流体参数等确定原油运动黏度和可动油饱和度。

2 ES-SAGD物理模拟实验设计

2.1 相似比例模化

根据Butler纯蒸汽SAGD二维物模相似准则，结合混合流体黏度关系式（（1）式），建立ES-SAGD相似准则基本方程：

根据相似准则对物理模型参数进行比例模化，建立ES-SAGD大型二维宏观物理模拟的相似比例模型（见表1）与实验流程。

表1 ES-SAGD关键参数比例模化结果

ES-SAGD实验装置主要包括4个部分（见图3）：①注入系统，包括蒸汽发生器、高压驱替泵、中间容器等，在准备过程中为模型饱和地层水和原油，在实验过程中注入水蒸汽和溶剂；②大型二维可视化模型本体（见图4），尺寸50 cm×30 cm×4 cm，内部均匀部署测温热电偶与测压点；③数据采集与控制系统，包括压力/温度采集与控制单元、监控电脑、数据采集与压力/温度场反演软件；④采出系统，包括高温背压阀、产出汽液自动收集器、电子天平等。

2.2 实验流程

图3 高温高压二维比例物理模拟实验装置图

图4 模型本体结构图

实验共分为9步：①实验前，模型本体及管路采用丙酮清洗，并吹氮气干燥。②根据储集层砂岩粒径分布，模型本体装填粒径80～120目（0.125～0.180 mm）石英砂密封后从补砂孔进行填实，防止实验过程中砂粒运移。③模型本体抽真空到1.0 kPa。④饱和水：向模型本体中注水（注入水根据地层水矿化度配制），注入速度20 mL/min，注入完毕后老化48 h。⑤饱和油：将超稠油预置入中间容器，放入恒温箱并升温至80 ℃，确保超稠油的流动性；模型本体依靠保温套升温至80 ℃并保持2 h，然后向模型本体中注入脱水原油，注入速度10～20 mL/min，实时测量产出液体含水率，当含水率为0后继续驱替1 h停止。⑥饱和油完成以后，模型本体重新降温至地层温度20 ℃，老化48 h。⑦预热：向模型本体中的注汽井、生产井注入蒸汽进行循坏，利用监测软件实时监测注汽井、生产井之间模型的温度变化，当温度达到130 ℃时，确认注汽井、生产井间建立了热联通与水动力连通，停止预热，转为上部注汽井注汽，下部生产井连续生产，进入SAGD生产阶段。⑧SAGD生产：控制蒸汽注入速度，根据监测温度场判别，进入蒸汽腔上升阶段，注汽速度从初始的4 mL/min逐步提高到10 mL/min；进入蒸汽腔横向扩展阶段，保持10 mL/min注汽速度；进入蒸汽腔下降阶段，注汽速度逐渐降低到4 mL/min；利用回压阀控制产出液速度，确保采注比控制在1.1～1.2。⑨产出液处理：产出液采用离心机进行油水分离，并采用旋转蒸发器分离和计量产出的轻烃溶剂和油。

2.3 实验方案设计

采用新疆FC油区超稠油开展物模实验，原油组分为：饱和烃34.2%、芳香烃20.8%、胶质31.3%、沥青质13.7%。针对该区块沥青含量较高的特点，共设计3组大型二维SAGD物模实验方案：①纯蒸汽SAGD；②90%蒸汽+10%正己烷ES-SAGD；③90%蒸汽+9%正己烷+1%二甲苯ES-SAGD。

设计实验方案①与方案②的目的在于对比蒸汽中添加少量溶剂后的ES-SAGD与纯蒸汽SAGD的蒸汽腔发育、生产动态等特征。设计实验方案③是因二甲苯具有溶解沥青的优异性能，为防止ES-SAGD过程中沥青沉淀造成油层堵塞，添加该溶剂评价清除沥青堵塞的可行性，并对比方案②和方案③的开发效果。

为确保方案对比的一致性与可靠性，3组实验过程中的饱和水量、饱和油量以及注采参数均相同。

3 实验结果分析

3.1 蒸汽腔扩展特征

3.1.1 蒸汽腔扩展速度

图5 SAGD与ES-SAGD蒸汽腔发育形态

对比蒸汽腔不同扩展阶段温度场（见图5）可知，方案②和③在蒸汽腔上升和横向扩展阶段的温度场比方案①低10～20 ℃，原因在于注入的冷溶剂降低了蒸汽温度。然而尽管方案②和③平均温度略低，但通过溶剂的溶油降黏作用，ES-SAGD温度场的扩展速度反而更快，证实溶剂与蒸汽的结合，充分发挥了溶剂溶油降黏+蒸汽高温降黏的双重作用，原油黏度比常规SAGD更低，泄油能力显著提高，促进了蒸汽腔的加速扩展[21-22]。

3.1.2 蒸汽腔泄油界面扩展形态

对比3个方案的泄油界面发育情况（见图6、图7），发现方案①泄油界面呈凸曲面形态，方案②为斜坡形态，方案③为凹陡坡形态。可以看到从方案①到方案③，蒸汽腔的泄油界面横向扩展速度逐渐增大，方案①蒸汽腔泄油界面横向扩展速度最慢，主要是因为单纯的蒸汽对原油的降黏效果有限，横向蒸汽-原油传质速率低；方案②在蒸汽中添加10%溶剂后，有效提高了降黏效果，降低了横向传质阻力，泄油速率随之提高；方案③添加了溶解沥青的二甲苯，对原油的降黏速率进一步提高[23]，蒸汽腔横向扩展速率进一步加快，泄油速率也进一步提高。

图6 不同溶剂体系的蒸汽腔泄油界面特征

图7 不同溶剂体系的蒸汽腔泄油界面形态对比

通过泄油界面的进一步对比可以发现，方案②溶剂具有明显的脱沥青现象，沥青大量沉积在蒸汽腔内部石英砂表面（石英砂表面颜色变暗）；实际油藏条件下，沉淀的沥青将堵塞油层孔隙，降低油层渗流能力。方案③中添加了溶解沥青的二甲苯，蒸汽腔内部泄油界面处石英砂表面仅出现少量沥青沉淀（石英砂表面颜色变亮），说明大量沥青被溶解并被产出，有效降低了发生沥青堵塞的风险。方案③一方面可大幅降低原油黏度，同时可有效清除沥青堵塞，为最佳方案。

3.2 生产动态特征对比

图8为3个方案的产油速率变化曲线，可以看到，方案①上产速度远低于方案②、方案③，方案①4.3 h后产油速率达到峰值，方案②、方案③产油速率达到峰值的时间分别为2.1 h和1.9 h；3个方案的峰值产油速率也相差较大，方案①为223 g/h，方案②、方案③分别为298，375 g/h，较方案①分别提高了33.6%和68.2%。

图8 常规SAGD与ES-SAGD产油速率对比

采用本文修正模型，并考虑不同生产阶段的实验温度、压力、注入流体参数等对运动黏度、可动油饱和度的影响，对实验结果进行拟合（见图8），对比实验产油速率与采用本文修正模型计算的结果可以看到：方案①的产量上升阶段拟合效果较好，但在下降阶段拟合较差，原因在于实验在4～6 h期间背压阀高温控压局部失效，采注比达到了1.2～1.4，未能有效控制在1.1～1.2，导致该阶段高产持续；过高的实际采注比引起注采井间发生汽窜，导致实验6 h后产量快速下降，因此实验与理论模型计算的结果误差较大。实际油藏条件下操作控制引起的汽窜是影响生产的主要因素之一。方案②和方案③生产稳定，拟合精度高。

方案②累计溶剂用量为：正己烷230.0 mL；方案③累计溶剂用量为：正己烷177.5 mL，二甲苯19.7 mL。方案②、方案③溶剂回采率分别为82.3%和86.1%，表明在封闭油藏中实施ES-SAGD具有较高的溶剂回采率，可避免溶剂漏失产生的效益损失。

图9为不同方案采出程度对比，方案①采出程度为58.2%，方案②、方案③分别为67.9%和74.4%，比方案①分别提高了9.7%和16.2%，表明ES-SAGD一方面可以加速降黏，另一方面随着黏度的降低，部分难动用的边部与底部原油得到动用，从而提高了原油采出程度。对比方案②与方案③可知，方案③原油采出程度比方案②高6.5%，说明向蒸汽-溶剂体系中添加1.0%二甲苯可以充分发挥其对沥青的溶解作用，减少沥青沉淀，有效降低渗流阻力，原油更易采出。

图9 常规SAGD与ES-SAGD采出程度对比

图10为不同方案累计油汽比对比，方案①累计油汽比0.32 m3/m3，方案②、方案③分别为0.54，0.69 m3/m3，比方案①分别提高了69%和116%，表明采用ES-SAGD方式开发，利用少量溶剂替代蒸汽，可大幅提高泄油速率。实验过程中，方案②、方案③的溶剂回采率分别为82.3%和86.1%，经测算，如重复利用溶剂，采用ES-SAGD方式开发，其总体吨油成本分别比方案①增加17.0%和23.0%，但鉴于其缩短生产周期、提高采出程度等方面的优势，应用潜力巨大。

图10 常规SAGD与ES-SAGD累计油汽比对比

4 结论

轻烃溶剂对原油的降黏效果从大到小依次排序为：正己烷、正庚烷、石脑油、二甲苯、柴油、正戊烷，50 ℃条件下原油中添加5%正己烷，降黏率可达96.5%。

蒸汽中添加轻烃溶剂后（本文实验中轻烃溶剂加量为10%），可发挥“溶剂溶油降黏+蒸汽高温降黏”的双重作用，加快蒸汽腔横向扩展速率，加快泄油速率，提高采出程度。

蒸汽-溶剂体系中添加1%二甲苯，可以充分发挥其对沥青的溶解作用，减少沥青沉淀，有效降低渗流阻力，进一步提高采出程度。

重复利用溶剂，采用ES-SAGD方式开发，可实现利用少量溶剂替代蒸汽，虽目前成本略有偏高，但其具有提高泄油速度、缩短生产周期、提高采出程度等优势，应用潜力巨大。

引入轻烃溶剂溶油降黏特征，对常规SAGD进行修正后建立的ES-SAGD泄油理论模型，经实验数据拟合证实是可靠的，可用于ES-SAGD生产动态预测。

符号注释：

B3——相似系数，无因次；g——重力加速度，7.323 126×1010m/d2；h——模型或原型油藏厚度，m；i——混合油组分编号；K——绝对渗透率，m2；L——水平井水平段长度，m；m——黏温曲线指数，无因次；n——混合油中溶剂与原油的组分数量，无因次；q——原油产量，m3/d；t——时间，d；w——模型或原型油藏宽度，m；xi——混合油中各组分摩尔分数，无因次；yi——混合油中各组分体积分数，无因次；α——热扩散系数，m2/d；ΔSo——可动油饱和度，%；μi——混合油中各组分的动力黏度，mPa·s；μmix——混合油动力黏度，mPa·s；νmix——混合油运动黏度，m2/d；ρi——混合油中各组分密度，g/cm3；ρmix——原始原油与轻烃溶剂混合油的质量密度，g/cm3；φ——孔隙度，%。